Observer skyrmions livscyklus i udsøgte detaljer

For første gang, et all-RIKEN team har set hele livscyklussen af ​​små magnetiske hvirvler, afsløre deres fødsel, bevægelse og død. Dette vil være vigtigt for at informere udviklingen af ​​fremtidige laveffekthukommelsesenheder baseret på disse magnetiske hvirvler.

Først observeret eksperimentelt i 2009, skyrmioner dannes, når magnetfelterne i et materiales atomer organiserer sig i hvirvel-lignende strukturer. Skyrmioner kan drive rundt, som om de var partikler og er lovende til at formidle data i computerchips og hukommelsesenheder med lav effekt.

Forskere har tidligere undersøgt, hvordan skyrmioner opfører sig i de enkelte stadier af deres liv. Men disse begivenheder finder typisk sted på vidt forskellige tidsskalaer - fra mindre end et nanosekund til mange mikrosekunder - og i længder, der spænder fra nanometer til mikrometer. Det har gjort det svært at følge en skyrmion gennem hele dens liv og at forstå, hvordan flere skyrmioner interagerer over den tid.

"Denne adfærd ville direkte bestemme ydeevnen af ​​skyrmion-baserede hukommelsesenheder, " bemærker Takahiro Shimojima fra RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS).

Nu, Shimojima og seks CEMS-kolleger har studeret skyrmion gennem hele deres levetid i en tynd film af koboltzink-mangan.

Da skyrmioner typisk kan leve i over et år i dette magnetiske materiale, holdet såede filmen med galliumioner, indført tilfældige defekter, der indskrænkede skyrmionernes liv. "Det gjorde det muligt for os at observere skyrmions hele livscyklus, "Siger Shimojima. "Det efterligner også bedre de ufuldkomne materialer, der ville blive brugt i praktiske skyrmion-baserede enheder."

Holdet satte filmen i et magnetfelt og studerede den ved hjælp af et elektronmikroskop og to lasere, der er i stand til at affyre nanosekunds lysimpulser. Den første laser ophidsede prøven til at generere skyrmioner, før den anden laser udløste et udbrud af elektroner i mikroskopet for at sondere skyrmionerne.

Den første laserimpuls skabte et parti skyrmioner inden for et nanosekund. Efter cirka 5 nanosekunder, disse skyrmioner trak sig sammen og dannede cirkulære former på ca. 160 nanometer brede. Engang var de 10 nanosekunder gamle, skyrmionerne begyndte at bevæge sig gennem materialet. Ved 100 nanosekunder, de grupperede sig i sekskantede former, der overlevede i yderligere 200 nanosekunder eller deromkring, før de glider fra hinanden i løbet af de følgende mikrosekunder. Til sidst, skyrmionerne begyndte at smelte sammen med hinanden, dø omkring 5 mikrosekunder efter deres fødsel.

"Denne information skal hjælpe os med at forstå de faktorer, der kan begrænse ydeevnen af ​​skyrmion-baserede enheder, " siger Shimojima. Forsøgene viser også, hvordan defekter i magnetiske materialer kan bruges til at kontrollere skyrmioner i sådanne enheder.

Holdet håber nu at udvikle næste generations magnetiske hukommelsesenheder ved at udnytte deres nyfundne evne til at realisere hurtig og gentagelig kontrol af skyrmioner.